Методическая разработка. Использование элементов истории в курсе физики.

Областное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«Курский автотехнический колледж»

Методическая разработка.

Использование элементов истории в курсе физики.

Курск 2015

Методические рекомендации для

по учебному предмету «Физика» при решении задач по разделу: «Кинематика»: Методическое пособие/ Автор – сост. И.В, Авдулова, - Курск: ОБОУ СПО «КАТК», 2015. – 36 с.

Методические рекомендации обсуждены и одобрены на заседании цикловой комиссии естественно-научных дисциплин

Протокол № 4 от 26.03.2015г.

Председатель Морозова О.А.

Автор составитель: Авдулова И.В. преподаватель ОБОУ СПО «КАТК».

СОДЕРЖАНИЕ

Пояснительная записка	4
Введение	5
1. Методы и формы использования исторических очерков на занятие по физике.	6
2. Исторические сведения об ученых - физиках	8
3. Задачи с историческим содержанием	19
Заключение	30
Используемая литература	31
Приложение	32

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

В настоящее время происходит интенсивный процесс обновления и совершенствования образования, который требует разработки и внедрения новых форм обучения. Они направлены на взаимопроникновение наук в изучаемых курсах. При решении этой задачи необходимо усиление элементов истории науки в преподавание физики.

В задачи преподавания основ физики входит не только ознакомление студентов с научными фактами, законами и теориями, но и с историей открытия законов и разработки теорий.

Следует отметить, что осуществляемая связь обучения физики с историческим содержанием физики позволяет конкретизировать и уточнить общенаучные знания, делает теоретические положения более понятными, доходчивыми, легче усвояемыми. Факты более близкие и понятные студентам оказывают сильное эмоциональное воздействие, что обеспечивает наиболее успешное восприятие и усвоение материала.

Наиболее интересными являются следующие положения одного из основоположников отечественной методики преподавания физики П. А. Знаменского:

• история науки позволяет понять, что физика является непрерывно развивающейся наукой и обновляющейся областью человеческого познания;

• использование элементов истории науки позволяет понять, как под влиянием определенных практических потребностей возникали научные проблемы и протекали научные исследования, и как развитие техники и технологии производства позволили науке преодолеть стоящие перед ней проблемы, что  вело ее на новый уровень;

• история физики дает представление о том, что обобщения, к которым приходит физика, состоят из ряда исторически связанных ступеней, и о том, что между зарождением какой-либо идеи и претворением ее в практику может пройти достаточно много времени;

• история науки позволяет увидеть, что научные открытия не являлись трудом только отдельных личностей, а всегда являлись результатом коллективного творчества ученых, если даже они жили в разных странах и в разное время.

Таким образом, актуальность работы обусловлена ролью, которую играет принцип историзма в теории и практике научного и учебного познания, а также, необходимостью выявления условий и средств реализации принципа историзма и их влияние на развитие мышления учащихся.

Цель работы: формирование компетентности в сфере познавательной деятельности  через  использование  исторического  материала  в  курсе  физики

Задачи:

• Повышать  уровень  познавательного  интереса  студентов;

• Формировать у  учащихся  научное   мировоззрение;

• Развивать  способность  к  активной  практической  деятельности;

• Воспитывать  гражданское  сознание  и  поведение;

• Формировать   методологические  навыки  при  изучении  физики;

• Развивать  творческое  мышление  студентов,  включать  их  в  творческую  деятельность.

Чтобы пробудить устойчивый интерес у студентов к физике - науке, надо раскрывать эволюцию физических идей, причины, побудившие принять ту или иную идею, механизм научного поиска, атмосферу творческого процесса.

Рассказывая о рождении новых идей и их эволюции, не следует пренебрегать деталями, некоторыми «мелочами», любопытными эпизодами. Они  могут оживить рассказ, но стойкий интерес рождают не они, а сам процесс поиска истины с его внутренней логикой, с его неизбежными зигзагами и даже поворотами вспять и с неизбежным обретением истины.

Таким образом, историзм в преподавании физики – одно из важных средств развития у студентов интереса к науке.

ВВЕДЕНИЕ

Проблема гуманизации – это очеловечивание преподавания. По словам Нобелевского лауреата И. Раби: “Физика составляет сердцевину гуманитарного образования нашего времени”.

К сожалению, на сегодняшний момент преподается "обесчеловеченая" физика. Всегда важно рассказывать студента об учёных как о людях с чистыми душами и руками, искренни верящими в то, что служат во славу своей Родины.

При изучение отдельных тем обучение сводится к изложению физического материала, в учебниках отсутствует информация об истории открытий, а тем более о судьбе русских, и не только учёных и их научном подвиге.

Обращение к истории науки покажет студенту, как труден и длителен путь учёного к истине. Интерес к науке может привить студентам сама наука всем своим прежним опытом, своей волнующей историей, своим будущим. Приобщение студента к истории развития науки, помогает привить любовь к отечеству, вызывает гордость за достижения российских учёных и ученых всего мира.

К числу необходимых студентам сведений в первую очередь относятся биографии великих учёных и история значительных научных открытий. Сведения об истоках научных открытий всегда воспринимаются обучающимися с большим интересом, потому что они помогают увидеть по-новому то, что стало обычным и привычным.

Скажем, при изучении темы «Энергия топлива» можно рассмотреть историю изобретения пороха, историю использования различных видов топлива. При изучении темы «Работа газа и пара при расширении» надо ознакомить студентов с историей создания парового двигателя, двигателя внутреннего сгорания, историей создания железнодорожного транспорта. При изучении темы «Электрический ток» необходимо рассказать об опытах итальянского анатома и физиолога Гальвани, о создании первого источника тока Алессандро Вольтой, его опытах, о фундаментальных опытах по электричеству и магнетизму Майкла Фарадея, о создании теории электрических цепей Георгом Омом, обэкспериментах Ленца, об изобретениях Эдисона. На занятиях важно открывать факты из жизни учёных, их значении для развития науки, доклады целесообразно готовить самими студентами.

При изучении темы «Магнитное поле» можно обратить внимание студентов на развитие магнитного транспорта, которое активно происходит в последнее время, об истории изобретения магнитного компаса, его огромном значении для мореплавателей, путешественников. При изучении темы «Электродвигатель» необходимо ознакомить студентов с историей создания первого электродвигателя российским инженером Б.С. Якоби в 1834 г.

Огромен исторический и мировоззренческий материал, который всплывает при изучении раздела «Оптика»: это и история развития взглядов на природу света, изобретение первых оптических приборов на Дальнем Востоке, история изобретения и совершенствования телескопов, биноклей, история изучения и изготовления зеркал ( в 4 в до н. э. зародилась наука катоприка - раздел оптики, в котором изучают зеркала и принципы отражения света. Первые трактаты пол оптике и катоприке принадлежат знаменитому геометру Евклиду, жившему в 3 в до н.э. Его продолжатели -Архимед, Герои и Птолемей, изучая зеркала, сумели достичь важных результатов), история открытия законов отражения и преломления света, значение развития оптики для развития физических методов наблюдения астрономических объектов).

С огромным количеством исторических сведений можно познакомиться на занятиях физики, однако это требует времени, которого, как правило, не хватает. Поэтому возможно вынесение вопросов истории физики на дополнительные занятия - кружковые, внеурочные мероприятия.

Яркой особенностью современного занятия физики должно стать широкое освещение роли учёных в становлении физики, показ борьбы идей и взглядов на долгом, зачастую противоречивом историческом пути науки.

1. МЕТОДЫ И ФОРМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИСТОРИЧЕСКИХ ОЧЕРКОВ НА ЗАНЯТИЕ ПО ФИЗИКЕ.

Для решения задачи ознакомления студентов с историей открытия законов и разработки теорий следует определить некоторые методы обучения. При использовании исторических сведений в процессе обучения можно использовать такие методы, как рассказ, беседа, экскурсия, решение задач, работа с дополнительной литературой.

С рассказа может начинаться ознакомление с новым материалом, при этом следует учитывать ряд педагогических требований. Рассказ должен обеспечивать идейную направленность, включать достаточное количество ярких и убедительных примеров и фактов, быть эмоциональным по форме и содержанию. Принцип историзма полностью удовлетворяет этим требованиям.

Экскурсия может служить, как средство закрепления и повторения работы, проведенной на занятие. После проведения экскурсии, для подведения итогов самой экскурсии и пройденной темы, для повторения и закрепления знаний используется беседа, как во словесно-ответный метод обучения. Предполагается предварительная подготовка к беседе, при этом используется работа с учебником и книгой.

Работа с литературой используется как метод получения или закрепления новых знаний.

Основным методом закрепления знаний и выработки умений и навыков, а также развития умственных сил студентов является решение задач.

Помимо изучения основного программного материала на уроках физики и сообщения на занятиях кратких исторических сведений можно провести итоговую конференцию по обобщению изученного материала. Итоговая конференция имеет в своей задаче такие функции проверки, как контролирующая, ориентирующая и воспитывающая.

Далее естественно встает вопрос о формах использования исторического материала в преподавании физики, о типах исторических материалов по характеру их использования, о методах и приемах работы преподавателя на занятиях.

Можно выделить следующие формы использования историзма в обучении физике:

• вводные исторические обзоры, выступающие как средство обоснования новых знаний;

• заключительные исторические обзоры, выступающие как средство систематизации и обобщения знаний;

• описания истории отдельных открытий, фундаментальных опытов, являющихся средством обоснования знаний;

• задачи с историческим содержанием;

• полные биографии ученых и фрагментарные биографические сведения, служащие целям формирования личности студента.

Все те методы и приемы, которые применяются при обучении физике вообще, пригодны и в процессе преподавания исторического материала. Может быть, лишь отдельные методы и приемы приобретают наибольшее значение или же некоторый специфический оттенок.

Важнейшие положения, раскрываемые на занятие, должны быть обоснованы и убедительно доказаны. Обоснованностью должно отличаться и изложение исторического материала. Она  достигается различными средствами, главным из которых является документализм. Формы его могут быть разными – это схемы, фотографии подлинных установок; данные, характеризующие их масштаб и точность измерений; высказывания и подлинные формулировки самих ученых; описания эпохи, условий труда ученых, а подчас и художественное описание того или оного открытия, воспроизводящее с допустимой долей домысла атмосферу открытия. Все это позволяет ввести ученика в обстановку, в которой совершалось открытие, обеспечить в какой-то мере «эффект присутствия» при открытии, убедить ученика в достоверности исторических сведений.

Чрезвычайно важным является  характер изложения преподавателя исторического материала. Здесь уместны не академизм и беспристрастность, а раскованная, живая манера изложения материала, которая должна сочетаться с четкостью и логической строгостью в развертывании хода исторического процесса.

Наиболее эффективны те методы обучения физике, которые отражают методы этой науки. Методами научного познания помогают овладеть учебные задачи. Это меняет к лучшему отношение студентов к задачам, их решению. Тем не менее студентам нужно повторять, что поиск ответа на вопрос каждой учебной задачи - процесс исследовательский, творческий и трудный.

Решая задачу, они делают «открытия», что вызывает эмоциональные переживания и знакомит с общими чертами научного метода.

Преподаватели используют задания, помогающие освоить методы познания, задачи, отражающие историю развития цивилизации и пути познания мира человечеством. Исторический материал, показывающий, как шло обогащение научных знаний, всегда вызывает интерес ребят.

2. ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УЧЕНЫХ.

Ученые – люди различной судьбы: счастливцы и «мученики науки»; с разными  характерами: темпераментные и меланхоличные, застенчивые и предприимчивые, снисходительные и придирчивые, веселые и суровые, добрые и скупые, скромные и честолюбивые и т.д. Но всех их роднит главное: бескорыстное служение науке, готовность идти на жертвы во имя научной цели, громадное трудолюбие и целеустремленность в своих исследованиях, умение  критически подходить к полученным результатам и готовность признать свою ошибку.

Ученый – это всегда «многомерный» человек со всеми своими положительными и отрицательными качествами, подчас противоречивый в делах и мыслях, служащий высоким целям и одновременно совершающий не всегда привлекательные поступки…это-то и вызывает интерес ребят, является часто стимулом к познанию и самовоспитанию.

Каждый ученый – своеобразная личность и обладает неповторимой индивидуальностью, раскрыть которую очень важно. Биография ученого – это не хроника событий его жизни, а «биография» его мыслей, взглядов и поступков на фоне тех социально-политических условий, в которых он жил и работал. Вводя студентов в духовный мир лучших представителей физической науки, мы помогаем им сформировать их жизненные позиции, устремления и идеалы.

 Следовало бы почаще показывать, сколь непритязательны были к внешним атрибутам жизни люди науки, мерящие свое счастье не по обладанию предметами комфорта и не по возможности удовлетворения своих повседневных обыденных желаний, а по тому, в какой мере они смогли «освободиться от своего я» и отдаться служению людям на пути поисков истины.

Рассказ о том, какой огромный вклад в развитие мировой науки внесли отечественные ученые, несомненно, будет способствовать развитию у обучающихся чувства национальной гордости и патриотизма.

Воспитание патриотизма – одна из актуальнейших задач любого учебного заведения, которая может решаться и за счет использования материалов по истории науки. Облик ученого становится ярким и притягательным не из-за обилия высоких слов в его адрес, а из-за глубины его мыслей и величия его духа. Слова ученого, выражающие его взгляды, поступки, в которых проявлялись его жизненные позиции, и, наконец, слова, сказанные о нем коллегами, современниками, - это наиболее важное в содержании биографических материалов.

Галиле́о Галиле́й

 Итальянский физик, механик, астроном, философ иматематик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Он первым использовал телескоп для наблюдения небесных тел и сделал ряд выдающихся астрономических открытий. Галилей - основатель экспериментальной физики. Своими экспериментами он убедительно опроверг умозрительную метафизику Аристотеля и заложил фундамент классической механики.

При жизни был известен как активный сторонник гелиоцентрической системы мира, что привело Галилея к серьёзному конфликту с католической церковью.

Галилей родился в 1564 году в итальянском городе Пиза, в семье родовитого, но обедневшего дворянина Винченцо Галилея, видного теоретика музыки и лютниста. Полное имя Галилео Галилея: Галилео ди Винченцо Бонайути де Галилей (итал. Galileo di Vincenzo Bonaiuti de' Galilei). 

Поводом к инквизиционному процессу 1633 года послужила только что вышедшая книга Галилея «Диалог о двух величайших системах мира Птолемеевой и Коперниковой», где он доказывал истинность гелиоцентризма и спорил с перипатетической (т.е., аристотелевской физикой), а также с Птолемеевой системой, согласно которой в центре мира находится неподвижная Земля. Такого представления о строении мира придерживалась тогда католическая церковь. В вину Галилею инквизиция ставила превышение полномочий разума и умаление авторитета Священного Писания.  В связи с этим уточним, как и в случае с Коперником, что инквизиция сожгла на костре не Галилея,  а Джордано Бруно.
Этого итальянского монаха-доминиканца, философа и поэта, сожгли в 1600 году в Риме не просто за убеждение в истинности коперниканской системы мира. Бруно был сознательным и упорным еретиком. Донос на Бруно в инквизицию отправил его ученик, молодой венецианский аристократ Джованни Мочениго. Шесть лет Джордано Бруно был в заключении в Риме, отказываясь признать свои убеждения ошибкой. Когда Бруно вынесли приговор подвергнуть его «самому милосердному наказанию и без пролития крови» (сожжение живым), в ответ философ и еретик заявил судьям: «Сжечь – не значит опровергнуть!».

То, что Галилей якобы сказал знаменитую фразу «А все-таки она вертится!» (Eppur si muove!) сразу после своего отречения – всего лишь красивая легенда, созданная итальянским поэтом, публицистом и литературным критиком Джузеппе Баретти в середине 18 века. 

Галилео Галилей умер 8 января 1642 года, на 78-м году жизни, в своей постели. Папа Урбан запретил хоронить Галилея в семейном склепе базиликиСанта-Кроче во Флоренции. Похоронили его в Арчетри без почестей, ставить памятник Папа тоже не позволил.

Младшая дочь, Ливия, умерла в монастыре. Позже единственный внук Галилея тоже постригся в монахи и сжёг хранившиеся у него бесценные рукописи учёного как богопротивные. Он был последним представителем рода Галилеев.

В 1737 году прах Галилея, как он и просил, был перенесён в базилику Санта Кроче, где 17 марта он был торжественно погребён рядом с Микеланджело. В1758 году Папа Бенедикт XIV велел вычеркнуть работы, защищавшие гелиоцентризм, из «Индекса запрещённых книг»; впрочем, эта работа проводилась неспешно и завершилась только в 1835 году.

С 1979 по 1981 годы по инициативе Римского Папы Иоанна Павла II работала комиссия по реабилитации Галилея, и 31 октября 1992 года Папа Иоанн Павел II официально признал, что инквизиция в 1633 году совершила ошибку, силой вынудив учёного отречься от теории Коперника.

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк

Родился в семье профессора гражданского права. Мальчик учился в Мюнхенской гимназии, собирался стать музыкантом или лингвистом. Впоследствии играл дуэтом (партия фортепиано) с Эйнштейном, исполнявшим партию скрипки. Физика привлекла его внимание в старших классах гимназии.

Один из преподавателей Мюнхенского университета отговаривал Планка связывать свои интересы именно с теоретической физикой. Там, мол, все уже известно, осталось уточнить детали.

Всю жизнь великий немецкий физик М. Планк сохранял преданность семье, друзьям и своей стране. Он был очень скромным человеком, однако полностью отдавал себе отчет в важности своего открытия. За свои работы по квантовой теории в 1918 г. он получил Нобелевскую премию.

Во время Второй мировой войны Планк поддерживал связь с движением Сопротивления, помогал переправлять за границу ученых, которым грозила опасность со стороны фашистского режима. Его сын Эрвин, единственный выживший ребенок от первого брака, участвовал в покушении на Гитлера в 1944 г. и был казнен нацистами. Позднее дом Планка в Грюнвальде и его огромная библиотека были разрушены во время одной из бомбардировок Берлина.

После войны Планк перебрался в Геттинген, где продолжил работу по формированию немецкой школы физиков.

Мария Складовская-Кюри –

физик польского происхождения, работавшая во Франции; вместе со своим мужем Пьером Кюри положила начало новой эры в истории человечества – эры излучения и использования атомной энергии. Мария Кюри – первая женщина дважды  лауреат Нобелевской премии.

Преданность науке привела к тому, что жизнь обоих поколений Кюри была в прямом смысле принесена ей в жертву. Мария Кюри, её дочь Ирэн и зять Фредерик Жолио-Кюри умерли от лучевой болезни, возникшей в результате многолетней работы с радиоактивными веществами. Вот что пишет М. П. Шаскольская: «В те далекие годы, на заре  атомного века, первооткрыватели радия не знали о действии  излучения. Радиоактивная пыль носилась в их лаборатории. Сами экспериментаторы спокойно брали руками препараты, держали их в кармане, не ведая о смертельной опасности».  

Якоби Борис Семенович (Мориц Герман)

Немец по происхождению, (21.9.1801—27.2.1874) принял в 1837 году русское подданство и считал Россию “вторым отечеством, будучи связан с ней не только долгом подданства и тесными узами семьи, но и личными чувствами гражданина”. Выдающийся физик и электротехник, член Петербургской академии наук Якоби всегда подчеркивал, что его изобретения принадлежат России.

В 1834 году Якоби изобрел электродвигатель с вращающимся рабочим валом, работа которого была основана на притягивании разноименных магнитных полюсов и отталкивании одноименных. (Это то же самое явление, которое заставляет магнитную стрелку компаса поворачиваться одним концом к северу, другим — к югу.) Немного позже появилась другая модель новой “магнитной машины”.

В 1839 году Якоби вместе с академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804— 1865) построил два усовершенствованных и более мощных электродвигателя. Один из них был установлен на большой лодке и вращал ее гребные колеса. При испытаниях лодка с экипажем из четырнадцати человек поднималась против течения Невы, борясь со встречным ветром. Данное сооружение представляло собой первое в мире электрическое судно. Другой электродвигатель Якоби — Ленца катил по рельсам тележку, в которой мог находиться человек. Эта скромная тележка приходится “бабушкой” трамваю, троллейбусу, электропоезду, электрокару. Правда, сидеть в ней было не очень удобно, поскольку свободного места там почти не оставалось из-за батареи. Других источников электрического тока тогда не знали.

Якоби предложил около десяти конструкций телеграфных аппаратов, в том числе буквопечатающий аппарат (в 1850 г.), одним из первых в мире построил кабельные телеграфные линии: в Петербурге и линию Петербург — Царское Село протяженностью около 25 км (в 1843 г.).

Много сделал этот ученый и для создания отечественного электротехнического оборудования. Он построил ряд электротехнических приборов, например, вольтметр, проволочный эталон сопротивления, несколько конструкций гальванометров, регулятор сопротивления.

Важное значение для России имели труды Якоби, касающиеся организации электротехнического образования. В начале 1840-х годов он составил и прочитал первые курсы прикладной электротехники, подготовил программу теоретических и практических занятий.

Альберт Эйнштейн

В 1914 г. Эйнштейн был уже оплачиваемым членом Королевской Прусской академии наук в Берлине. В 1921 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике.

Открытия А, Эйнштейна были столь неожиданны, что пугали и вызывали отторжение. Столь же странной казалась многим и фигура самого создателя новой теории, также не укладывающаяся в обычные мерки.

Уже в 1920 г. в Европе возникла организация, назвавшая себя «антиэйнштейновской лигой». В неё входили отнюдь не невежды: во главе стояли два Нобелевских лауреата – немецкие физики Ф. Ленард и Й. Штарк. С приближением «коричневой чумы» - фашизма – Ленард издал учебник «Германская физика», в котором «истинно германская физика» противопоставлялась всем «неарийским» теориям.

Для нацистов, отрицавших нравственность по отношению ко всем «расово неполноценным личностям», еврей Эйнштейн с его взглядами был – в силу своей мировой известности – не только ненавистен, но и опасен.

Прусская академия наук включилась в общую компанию травли ученого, находившегося в научной поездке. Тогда он послал уведомление о том, что слагает с себя обязанности академика и покидает Германию. За время его отсутствия его виллу разгромило гестапо.

Исак Ньютон

Исаак Ньютон родился в 1642 году в деревне Вульсторп в Линкольншире. Семья Ньютонов принадлежала к числу фермеров средней руки. По достижении двенадцатилетнего возраста мальчик начал посещать общественную школу в Грантэме. В 1665 году он получил степень бакалавра изящных искусств (словесных наук) в Кембридже. Его первые научные опыты связаны с исследованиями света. Ньютон установил, что белый солнечный луч представляет собой смесь многих цветов. Учёный доказал, что при помощи призмы белый цвет можно разложить на составляющие его цвета. В 1666 году в Кембридже началась эпидемия, которую сочли чумой, и Ньютон удалился Вульсторп. Здесь двадцатичетырехлетний Ньютон предался философским размышлениям. Плодом их было гениальнейшее из его открытий – учение о всемирном тяготении. Предание сообщает, что размышления Ньютона были прерваны падением налившегося яблока. Знаменитая яблоня долго хранилась в назидание потомству, была срублена и превращена в исторический памятник в виде скамьи. 

    1669 году Ньютон уже был профессором математики. Тогда же, почти одновременно с немецким математиком Лейбницем он создал важнейшие разделы математики – дифференциальное и интегральное исчисления.

     С 1669 по 1671 год он читал лекции, в которых излагал свои главные открытия относительно анализа световых лучей; но ни одна из его научных работ ещё не была опубликована. Сделанный Ньютоном телескоп может с полным правом считаться первым отражательным телескопом. Затем учёный сделал вручную ещё один телескоп больших размеров и лучшего качества. Об этих телескопах узнало Лондонское королевское общество, которое обратилось к Ньютону с просьбой сообщить подробности изобретения.

     В конце 1670 года Ньютон был избран в члены Лондонского королевского общества. Ньютон открыл знаменитую теорему, по которой тело, находящееся под влиянием притягивающей силы, подобной силе земного тяготения, всегда описывает какое-либо коническое сечение, то есть одну из кривых, получаемых при пересечении конуса плоскостью (эллипс, гипербола, парабола и в частных случаях круг и прямая линия). Сверх того, Ньютон нашел, что центр притяжения, то есть точка, в которой сосредоточено действие всех притягивающих сил, действующих на движущуюся точку, находится в фокусе описываемой кривой. Так, центр Солнца находится (приблизительно) в общем фокусе эллипсов, описываемых планетами. Таким образом Ньютон вывел теоретически, то есть исходя из начал рациональной механики, один из законов Кеплера, гласящий, что центры планет описывают эллипсы и что в фокусе их орбит находится центр Солнца. 

     В конце 1683 года Ньютон сообщил Королевскому обществу основные начала своей системы. Основные выводы Ньютон представил в труде «Математические начала натуральной философии». Открытие Ньютона привело к созданию новой картины мира, согласно которой все планеты, находящиеся друг от друга на колоссальных расстояниях, оказываются связанными в одну систему. Дальнейшие исследования Ньютона позволили ему определить массу и плотность планет и Солнца. Он установил, что наиболее близкие к Солнцу планеты отличаются наибольшей плотностью. Ньютон доказал, что Земля представляет собой шар, расширенный у экватора и сплюснутый у полюсов, а также зависимость приливов и отливов от действия Луны и Солнца на воды морей и океанов.

  В 1701 году Ньютон был избран членом парламента, а в 1703 году стал президентом английского Королевского общества. 

   В 1705 году английский король возвел Ньютона в рыцарское достоинство.

   С 1725 года Ньютон перестал ходить на службу. Умер Исаак Ньютон в ночь на 20 марта 1726 года во время эпидемии чумы. В день его похорон был объявлен национальный траур. Его прах покоится в Вестминстерском аббатстве, рядом с другими выдающимися людьми Англии.

И еще один интересный факт о Ньютоне: он был членом Палаты лордов и не пропустил ни единого ее заседания. Правда, на удивление всем, Ньютон никогда не выступал с речами перед парламентом. И вот однажды он внезапно попросил слова. Все затаили дыхание и приготовились выслушать что-то невероятно мудрое от признанного ученого. Ньютон покряхтел, откашлялся и произнес следующие слова: «Господа, закройте, пожалуйста, окно – сквозит! Я боюсь простудиться!» Это была первая и единственная речь великого физика в Палате лордов.

Вильге́льм Ко́нрад Рентге́н

Вильгельм Конрад Рентген родился 27 марта 1845 года под Дюссельдорфом, в вестфальском Леннепе (современное название Ремшайд) единственным ребёнком в семье. Отец был купцом и производителем одежды. Мать, Шарлотта Констанца (в девичестве Фровейн), была родом изАмстердама. В марте 1848 года семья переезжает в Апелдорн (Нидерланды). Первое образование Вильгельм получает в частной школе Мартинуса фон Дорна. С 1861 года он посещает Утрехтскую Техническую школу, однако в 1863 году его отчисляют из-за несогласия выдать нарисовавшегокарикатуру на одного из преподавателей.

В 1865 году Рентген пытается поступить в Утрехтский университет, несмотря на то, что по правилам он не мог быть студентом этого университета. Затем он сдаёт экзамены в Федеральный политехнический институт Цюриха и становится студентом отделения механической инженерии, после чего в 1869 году выпускается со степенью доктора философии.

Однако, поняв, что его больше интересует физика, Рентген решил перейти учиться в университет. После успешной защиты диссертации он приступает к работе в качестве ассистента на кафедре физики в Цюрихе, а потом в Гиссене. В период с 1871 по 1873 год Вильгельм работал в Вюрцбургском университете, а затем вместе со своим профессором Августом Адольфом Кундтом перешёл в Страсбургский университет в 1874 году, в котором проработал пять лет в качестве лектора (до 1876 года), а затем — в качестве профессора (с 1876 года). Также в 1875 году Вильгельм становится профессором Академии Сельского Хозяйства в Каннингеме (Виттенберг). Уже в 1879 году он был назначен на кафедру физики в университете Гиссена, которую впоследствии возглавил. С 1888 года Рентген возглавил кафедру физики в университете Вюрцбурга, позже, в 1894 году, его избирают ректором этого университета. В 1900 году Рентген стал руководителем кафедры физики университета Мюнхена — она стала последним местом его работы. Позже, по достижении предусмотренного правилами предельного возраста, он передал кафедруВильгельму Вину, но всё равно продолжал работать до самого конца жизни.

У Вильгельма Рентгена были родственники в США, и он хотел эмигрировать, но даже несмотря на то, что его приняли в Колумбийский университетв Нью-Йорке, он остался в Мюнхене, где и продолжалась его карьера.

Умер 10 февраля 1923 года от рака и был похоронен в Гиссене. Открытие немецкого учёного очень сильно повлияло на развитие науки. Эксперименты и исследования с использованием рентгеновских лучей помогли получить новые сведения о строении вещества, которые вместе с другими открытиями того времени заставили пересмотреть целый ряд положений классической физики. Через короткий промежуток времени рентгеновские трубки нашли применение в медицине и различных областях техники.

К Рентгену не раз обращались представители промышленных фирм с предложениями о выгодной покупке прав на использование изобретения. Но Вильгельм отказался запатентовать открытие, так как не считал свои исследования источником дохода.

Когда Рентген открыл Х-лучи, страну пополнили самые невероятные слухи об их могуществе. И вот ученый получил письмо из Венского управления полиции; в нем говорилось: «До получения особых указаний с лучами больше дела не иметь...»

А однажды Рентгену пришла корреспонденция с просьбой прислать несколько рентгеновских лучей и инструкцию, как ими пользоваться. Оказалось, что у автора письма в грудной клетке застряла револьверная пуля, а для поездки к ученому у него не нашлось времени. Рентген был человеком с юмором и ответил так: «К сожалению, в настоящее время у меня нет Х-лучей, к тому же пересылка их дело очень сложное. Считаю, что мы можем поступить проще: пришлите мне вашу грудную клетку».

Генри Кавендиш

     Английский физик и химик. Родился в Ницце (Франция).

     В 1749 – 53 годах учился в кембриджском университете. Большую часть жизни провёл в одиночестве, полностью отдаваясь научной работе. Исследования проводил в собственной лаборатории. Публиковал только те работы, в достоверности которых был полностью уверен. В связи с этим его работы по электричеству долгое время оставались неизвестными.

     Так, ещё в 1771 году он пришёл к выводу, что силы взаимодействия неподвижных электрических зарядов зависят от обратного квадрата расстояния между ними. А этот закон нам известен как закон Кулона, который был им установлен в 1785 году. Многие работы Кавендиша опубликовал Д.Максвелл лишь в 1879 году.

     В 1798 году Кавендиш при помощи крутильных весов измерил силу притяжения двух небольших сфер, экспериментально подтвердив закон всемирного тяготения, определил гравитационную постоянную, массу и среднюю плотность Земли.

     В 1766 году он получил в чистом виде водород, определил состав воды и показал, что её можно получить искусственным путём.

Кавендиш, один из величайших физиков-экспериментаторов своего времени, вёл очень уединённый и замкнутый образ жизни. У него совершенно не было друзей. Женщин же он панически боялся и со своей прислугой женского пола не вступал ни в какие разговоры, а оставлял на столе записки с поручениями. После его смерти остался миллион фунтов в банке и двадцать пачек рукописей с описанием проведенных им уникальных исследований, которые он при жизни считал ненужным публиковать.

В феврале 1753 г. Кавендиш закончил престижный Кембриджский университет. Но, Будучи одним из самых выдающихся учёных ХVIII века, никакой учёной степени он так и не получил. Одно из возможных объяснений: в те времена всякий выпускник Кембриджа не мог быть неверующим, а атеизм Кавендиша был общеизвестен. Но причина могла быть и иной, Трудно, однако, объяснить другой необычный факт: Кавендиш, не имевший, как уже говорилось, никакой учёной степени и не опубликовавший ни одного научного труда, был в возрасте 29 лет принят в Королевскую академию наук.

Кавендиш вёл себя по отношению к окружающим, по меньшей мере, странно: он не переносил, когда кто-либо к нему обращался, а уж если с ним заговаривал на улице какой-нибудь незнакомец, Кавендиш молча отворачивался, подзывал кэб и немедленно возвращался домой. С управителем своего дома он общался только путем переписки. Так, например, в одном из своих меморандумов он пишет: «Я пригласил на обед нескольких джентльменов и хотел бы, чтобы каждому из них был подан бараний окорок. А поскольку я не знаю, сколько окороков бывает у барана, попрошу Вас самого разобраться с этим вопросом». Он носил фиолетовый, совершенно выцветший костюм, парик в стиле ХVII века и всегда прятал лицо. В деревню же он ездил на экипаже, оборудованном счетчиком его собственной конструкции, напоминающим современные таксометры.

Женщин Кавендиш вообще считал какой-то разновидностью людей, с которой не желал иметь ничего общего. К дому он приказал пристроить наружную лестницу и велел слугам пользоваться только ею. Тех же из них, кто осмеливался воспользоваться внутренней, он немедленно увольнял. Рассказывают такой случай. Однажды Кавендиш ужинал в клубе Королевского научного общества. В это время в окне расположенного напротив дома появилась молодая красивая женщина и принялась рассматривать проезжающие экипажи. Многие мз присутствующих в клубе мужчин подошли к окну, чтобы получше её разглядеть. Решив почему-то, что они любуются полной луной, Кавендиш было к ним присоединился, но поняв свою ошибку, тут же покинул клуб, вслух выражая своё отвращение к происходящему. Но однажды он, не задумываясь, бросался на защиту женщины. Как-то раз, находясь в Клапхэме, Кавендиш увидел, как на лугу женщина пытается убежать от разъяренного быка. Он мгновенно поспешил на помощь, бросился между женщиной и животным и сумел его отогнать. Затем, не ожидая благодарности, повернулся и молча ушел.

Завещание же учёного содержало категорическое требование, чтобы склеп с его гробом сразу после похорон был наглухо замурован, а снаружи не было никаких надписей, указывающих, кто в этом склепе похоронен. Так и было сделано. Кавендиша похоронили 12 марта 1810 года в соборе в Дерби. Ни осмотра тела, ни вскрытия трупа не производили. И ни одного достоверного портрета Кавендиша тоже не сохранилось.

Кавендиш проводил научные эксперименты, на целые столетия опережая свое время. Так, например, он рассчитал отклонения световых лучей, обусловленные массой Солнца, за 200 лет до Эйнштейна, и расчеты его почти совпадают с эйнштейновскими. Он точно вычислил массу нашей планеты и был в состоянии выделять легкие газы из атмосферного воздуха. В то же время он ничуть не заботился ни о публикации своих работ, ни о каком-либо признании ученым миром. Кавендиш мог определять напряжение тока, касаясь электрической цепи рукой, что указывает на его необыкновенные физические качества. Один из современников Кавендиша, учёный по фамилии Ловекрафт, выразился о нем так: «Его облик – это всего лишь маска. Скрывающееся под ней существо не является человеком».

Александр Степанович Попов.

Русский физик и электротехник, изобретатель радио.

25 апреля 1895 г. он сделал научный доклад об изобретении им системы связи без проводов и продемонстрировал её работу. Усовершенствованные приборы Попова для беспроволочной телеграфии получили первое практическое применение в русском флоте. Они были применены, в частности, для связи во время работ по снятию севшего на камни русского броненосца у острова Гогланд (Финский залив) и при спасении рыбаков, унесенных на льдине в море.

Работая  в трудных условиях царского режима, без материальной поддержки, Попов не принял ни одного из заманчивых предложений зарубежных фирм продать им патенты на свои изобретения.

1905 г. – последний в жизни А.С. Попова. Это было трудное время, когда студенты вверенного ему электротехнического института в ответ на расстрел рабочих на баррикадах Красной Пресни и другие репрессии царского правительства открыто выступили на стороне прогрессивных сил. От Попова требуют навести порядок в институте. Он отказывается ввести в институт полицию и внедрить тайных агентов. Министр в ярости, но Попов уходит из кабинета министра, не отступив от своих убеждений.

Домой он вернулся в тяжелом состоянии, был бледен, губы его дрожали. Через день, когда Петербург готовился встречать новый 1906 г., за несколько часов до его наступления А. С. Попов умирает от кровоизлияния в мозг.

Игорь Васильевич Курчатов. 

Юность пришлась на годы революции и гражданской войны. Учился в гимназии города Симферополя. Играл на  мандолине в оркестре. Семья была более чем среднего достатка. Подрабатывал во время учебы в мундштучной мастерской, осваивал слесарное дело. Учитель математики в гимназии пророчил ему большое будущее, учитель словесности – тоже. Поступил вТаврический университет, закончив с золотой медалью гимназию. Правда, медаль ему не смогли дать: шла война. Студентом, семнадцати -восемнадцатилетним юношей, где только ни работал, чтобы выжить в эти голодные годы: на строительстве железнодорожной ветки, сторожем, даже воспитателем.

Круг его научных интересов был необычайно широк и охватывал физику моря, физику диэлектриков и полупроводников, ядерную физику и технику. Он выполнил ряд важных работ по физике полупроводников. С 1932 г. его научные интересы перемещаются в область ядерной физики, и он стал руководителем так называемой «урановой проблемы» в нашей стране.

В большом и малом, в простом и сложном И. В. Курчатов был цельным  и «чистым» человеком. Примечателен такой факт: ученый никогда не брал гонорар за свои статьи в газетах и журналах; полагающиеся ему деньги перечислял в детские дома. Игорь Васильевич с чрезвычайной доброжелательностью, любовью и вниманием относился к окружавшим его людям. Всегда мог не только подбодрить словом, но и поддержать делом, оказать конкретную помощь, находил время для посещения заболевших товарищей.

Ничто человеческое не было чуждо Игорю Васильевичу. Он любил хорошую книгу, понимал и ценил искусство, выкраивал время, чтобы послушать Рахманинова, Прокофьева, Чайковского.

С 1943 г. Игорь Васильевич возглавлял в СССР исследования по овладению ядерной энергией. Занимаясь этой проблемой, И.В. Курчатов жил на территории института, работал увлеченно, по 12 ч. в сутки.

Под руководством И. В. Курчатова был сооружен первый советский уран-графитовый атомный реактор ( 1946 г.), построена первая в мире промышленная АЭС ( 1954 г.) и крупнейшая установка по исследованию термоядерных реакций.

По заданию советского правительства в годы Великой Отечественной войны И. В. Курчатов начал работать над созданием нового вида оружия и возглавляемый им коллектив создал его – атомную бомбу (1949 г.) и водородную ( 1953 г.). Тогда многие в СССР считали, что это необходимо для могущества страны, её престижа, дела мира, победы социализма и предупреждения новой войны.

После испытания в 1953 г. термоядерной бомбы И. В. Курчатов взволнованно сказал: «Это было такое ужасное, чудовищное зрелище! Нельзя допустить, чтобы это оружие начали применять.» Когда А. Д. Сахаров, глубоко озабоченный проблемой последствий ядерных испытаний, начал активную борьбу за их ограничение, его единомышленником стал И. В. Курчатов. В 1958 г. он обращается ко всем людям доброй воли со словами: «…ученые глубоко взволнованы тем, что до сих пор нет международного соглашения о безусловном запрещении атомного и водородного оружия… мы обращаемся к ученым всего мира с призывом… превратить энергию ядер водорода из оружия в могучий, живительный источник, несущий благосостояние и радость людям на земле!»

Абрам Федорович Иоффе –

учитель нескольких поколений отечественных физиков, руководитель крупнейшей научной школы. Большинство сотрудников Физтеха, директором которого был А. Ф. Иоффе, составляла молодежь, из-за чего институт нередко называли «детским садом», а его руководителя – «папой», и он действительно был им для своих молодых коллег.

Известный  металлофизик академик Г. В. Курдюмов вспоминал: «А. Ф. Иоффе был щедрым человеком и проявлялось это не только в том, как широко делился он с коллегами, сотрудниками и учеными своими идеями, методом проведения работ, но и  в том, что он не жалел времени на их доброжелательное обсуждение и критику…» Также он писал: «Для того, чтобы так быстро и близко входить в контакт с многими «хорошими и разными» физиками, надо было обладать, помимо специфического таланта физика, еще и особыми личными качествами. Абрам Федорович был обаятельным, простым в обращении человеком».

 Иоффе всегда замечал чужую боль, умел придти на помощь в нужную минуту. Раз во время юбилейного банкета один из учеников Иоффе попросил встать тех, кому когда-нибудь помог Абрам Федорович. Встал  весь зал. Это получилось так торжественно, что А. Ф. Иоффе засмущался.

Умер он за рабочим столом, не дожив две недели до восьмидесятилетия.

3. ЗАДАЧИ С ИСТОРИЧЕСКИМ СОДЕРЖАНИЕМ.

Одним из способов реализации принципа историзма в обучении физики является решение задач с историческим содержанием. В этом случае успешно решается основная проблема, связанная с привлечением на урок исторического материала, - ограничение времени. Сведения по истории физики, включённые в содержание исторических задач, компактны и неразрывно связаны с предметными знаниями.

Задачи с историческим содержанием могут быть использованы на различных этапах обучения: при актуализации опорных знаний студентов, при постановке цели и задач занятия, при объяснении нового материала, при закреплении, повторении и проверке знаний студентов, при обобщении и систематизации историко-научных знаний по физике, для организации домашней и самостоятельной работы. Так, например, при изучении закона всемирного тяготения исторические задачи могут быть использованы на всех этапах занятия (см. табл.2). Следует отметить, что исторические сведения по теме могут быть использованы и в виде исторических справок, однако авторы статьи придерживаются мнения, что целесообразнее данный материал формулировать в виде задач с историческим содержанием. Это позволяет учащимся ясно осознать стоящую перед ними проблему, сформулировать цель занятия, а также способствует более чёткому выделению этапов занятия.

Задачи с историческим содержанием можно условно разделить на несколько групп. Я предлагаю следующую классификацию (понимая, что любой принцип классификации весьма условен).

Задачи, характеризующие состояние научных знаний того периода, когда ученые впервые разрешали  вопросы, сейчас изучаемые студентами.

1. Э. Резерфорд писал: «…Ко мне позвонил крайне возбужденный Гейгер и заявил: «Нам удалось наблюдать несколько альфа-частиц, рассеянных назад…» Это было самым невероятным событием моей жизни. Оно было столь же невероятным, как если бы 15-дюймовый снаряд, выпущенный в кусок папиросной бумаги, отскочил от нее и ударил бы в стрелявшего». Что подразумевал Резерфорд под «папиросной бумагой»? Какое было сделано открытие?

2. В начале ΧVΙΙ в. во Флоренции был построен водяной поршневый насос для подачи воды на большую высоту. Однако вода в нем поднялась вслед за поршнем лишь на 32 фута (примерно 10 м). Строители удивились. Ведь в то время считалось, что вода боится пустоты. Ученый Э.Торричелли объяснил этот факт. Какие доводы он привел?

3. Апории Зенона (Зенон Элейский – древнегреческий философ, Vв. до н.э.).

Эта апория называется «дихотомия» (дихотомия по гречески – деление на два). «Наше движение никогда не может начаться, так как, прежде чем пройти какое-то расстояние, мы должны пройти сначала его половину, а чтобы пройти половину, нужно прежде преодолеть четверть и так далее до бесконечности. Следовательно, для того чтобы пройти какое-то расстояние за конечное время, нам нужно осуществить за это время бесконечное число действий». По логике Зенона, продолжая делить пополам всё уменьшающиеся отрезки, мы никогда не закончим деление и, следовательно, никогда не начнем движение. А как думаете вы?

Рассмотрим еще одну апорию Зенона – «Ахиллес и черепаха» (рис. 1).

Рис. 1.

Вот как излагает ее ученый VIв. н.э. Симпликий: «... речь идет об Ахиллесе, который, как гласит этот довод, не может догнать черепаху, которую он преследует. Ибо догоняющий должен, прежде чем он догонит преследуемого, достигнуть точки, из которой преследуемый начал свое движение. Но за время, необходимое преследователю для достижения этой точки, преследуемый, воспользовавшись этим, пройдет еще какое-то расстояние. Даже если это расстояние меньше расстояния, пройденного преследователем, поскольку преследуемый движется медленнее, все же он продвинется вперед, так как не стоит на месте. Таким образом, в течение каждого периода времени, за который преследователь покрывает расстояние, уже пройденное преследуемым, ... преследуемый пройдет еще дальше вперед на какое-то расстояние, и хотя это расстояние постепенно уменьшается в силу того, что преследующий имеет более высокую скорость, оно представляет собой продвижение на какую-то положительную величину...»

Задачи, позволяющие подойти к изучаемому явлению, помогающие вскрыть исследуемые закономерности, способствующие более глубокому пониманию физических процессов.

1. В бутылке, герметично закрытой пробкой и заполненной на 2/3 водой, в условиях космического полета на борту корабля-спутника «Восток – 4» (опыт выполнял космонавт П.Попович) воздух собирался в центре бутылки в виде большого пузыря. Объясните это явление.

2. Почему в опытах Фарадея «отклонение указателя гальванометра при включении батареи совершалось в одну сторону, а при выключении -  в другую сторону»?

После решения таких задач полезно обратить внимание студентов на то, что физическая теория – это инструмент для объяснения и предсказания новых, неизвестных науке фактов.

3. Прекрасным памятником античной науки явилась поэма Лукреция Кара «О природе вещей», написанная примерно в 50 г. до н.э. Очень интересны мысли Лукреция, которые предвосхитили грядущие открытия. Лукреций пишет:

«Кажется нам, что корабль, на котором плывем мы, неподвижен,

Тот же, который стоит причаленный, мимо проходит;

Кажется, будто к корме убегают холмы и долины,

Мимо которых идет наш корабль, паруса распустивши».

О чем нам поведал Лукреций? Какой фундаментальный принцип механики содержится в этих строках Лукреция? Кем он был сформулирован, и в чем его суть?

4. В классическом мысленном эксперименте (рис. 2) Галилей анализировал падение пушечного ядра с мачты движущегося корабля с точки зрения наблюдателя, находящегося на берегу, и матроса, стоящего на палубе корабля. К каким выводам относительно траектории падения ядра должен был прийти ученый?

Рис. 2.

5. В трактате «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» Галилей приводит такие определения двух видов движения тел:

а) «...движением я называю такое, при котором расстояния, проходимые движущимся телом в любые равные промежутки времени, равны между собою»;

б) «...движением называется такое, при котором после выхода из состояния покоя в равные промежутки времени прибавляются и равные приращения скорости».

Какое движение имел в виду Галилей в первом случае? Во втором случае?

6. В «Математических началах натуральной философии» Ньютон дал такое определение массы: «Количество материи (масса) есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее». Каково определение массы в современной физике?

7. В «Началах» Ньютон дает такое определение силы: «Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения». Проанализируйте это определение. Как мы определяем силу в настоящее время?

Задачи, помогающие формированию и закреплению навыков пользования физическими выводами, законами, формулами.

1. Маятник Фуко ( 1851 г.) в куполе Пантеона в Париже имел длину 76 м. Какой период колебаний этого маятника?

2. В ΧVΙΙI. Великий Моцарт восхищался певицей Лукрецией Аджуяри, которая брала «до» четвертой октавы – 2018 колебаний в секунду. Француженка Мадо Робен пела полным голосом «ре» четвертой октавы – 2300 колебаний в секунду. Чему равны длины волн, соответствующие указанным частотам?

21.Опыт с шаром

У Отто фон Герике(1602–1686) появилось сильное желание убедиться возможности образования пустоты. Для этой цели (по данным немецких историков это было до 1654г.) он наполнил винную бочку водой, присоединил к ней на с оси попытался выкачать жидкость. Как только началась откачка, ободы бочки треснули. Тоже самое повторилось и во второй раз с более прочной бочкой. Герике повторило пыти втретий раз, но уже с медным сосудом. Почему, по словам Герике, произошло следующее: «…внезапно ко всеобщему ужасу шар со страшным шумом разлетелся на мелкие куски, как если бы он был сброшен с высочайшей башни»?

Задачи, устанавливающие связь между различными разделами курса физики.

1. В 1824 г. парижский конструктор точных приборов Анри Гамбей впервые обнаружил торможение магнитной стрелки, когда вблизи находится медная пластинка. Объясните это явление.

2. М.В.Ломоносов в одной из своих записей ставит такой вопрос: «Любой цвет от смачивания водою делается гуще. Почему?» Подумайте, объясните явление.

Задачи, иллюстрирующие применение физических законов или явлений в технике.

1. Один из видов реактивного снаряда легендарной минометной установки «Катюша», снискавшей славу в борьбе с фашизмом, имел массу 42,5 кг и запускался реактивной силой 19,6 кН. Какое ускорение он получал при взлете?

2. В своем сочинении «История греко-персидских войн» древнегреческий историк Геродот, рассказывая о путешествии по Египту, писал: «Перед плывущим по течению кораблем опускают в воду вертикально и перпендикулярно течению доску, которая играет роль двигателя и тянет корабль» (рис. 8). Ученые поняли, как простая доска может служить двигателем, лишь недавно, когда выяснили, что ее применяли только при сильном встречном ветре. Объясните действие доски, употреблявшейся древнеегипетскими кормчими.

Рис. 8.

3. Первый пассажирский пароход «Клермонт» был построен в 1807 году в США. Р.Фультоном. Вот его основные данные: длина – 50 м; ширина – 5,5 м; водоизмещение – 150 т; мощность – 13 кВт (18 л.с); скорость – 8 км/ч. Каковы соответствующие характеристики современных судов?

4. Петр Iв 1717 году приказал установить насос для подачи воды в водонапорный бак фонтана в Летнем саду, расположенный на высоте 12 м. Найдите полезную мощность насоса, если за одну минуту он подавал 1 м3 воды.

5. В сентябре 1838 года первый в мире электроход, построенный под руководством Б.С.Якоби, вышел в плавание по Неве. Мощность его двигателя составила 180 Вт. Судно прошло 7 км за 3 часа. Какую работу совершил двигатель на пути в 7 км? Чему равна сила тяги двигателя?

6. Однажды Архимед показал царю Гиерону, как с помощью малой силы можно двигать и поднимать большие тяжести. Для этой цели Архимед приказал посадить на царскую грузовую триеру, с громадным трудом с помощью многих рук вытащенную на берег, большой экипаж, положить на нее обыкновенный груз и, усевшись на некотором расстоянии, без всяких усилий, спокойно двигая рукой конец блока, стал тянуть к себе триеру так тихо и ровно, как будто она плыла по морю. Как Архимед сумел добиться этого?

7. В 1898 году французский граф Гастон де Шасслю-Лоба, заключив пари с друзьями, проехал на электромобиле 1 км за 57 с, развив скорость 63,158 км/ч. С этого заезда и началась, по существу, история автогонок. А каково ее продолжение?

8.«Перегрузка космонавтов»

Ракета-носитель вместе с космическим кораблем серии «Союз» имеет стартовую массу 300т. При старте запускаются одновременно четыре двигателя первой ступени ракеты (боковые блоки), сила тяги каждого из которых 1 МН, и один двигатель второй ступени, сила тяги которого 940кН. Какую перегрузку испытывают космонавты вначале старта?

 Перед тем, как предложить задачу  студентам, надо дать соответствующую историческую справку об открытии, о совершившим его ученом; физический смысл задачи не должен затушевываться излишними историческими деталями и математическими операциями.

В содержании исторических сведений главное внимание должно быть обращено не столько на то, кто, что, когда открыл, сколько на то, почему и как возникла у ученого та или иная идея, каков ход его мысли при обосновании идеи, каков его метод исследования. Не случайно Д. К. Максвелл говорил: «Наука нас захватывает только тогда, когда, заинтересовавшись жизнью великих исследователей, мы начинаем следить за историей развития их открытий».

Задачи, рассказывающие об истории исследования различных физических явлений, процессов.

1. Мнения ученых по вопросу свободного падения были диаметрально противоположными:

а) «Падение куска золота или свинца, или любого другого тела, наделенного весом, происходит тем быстрее, чем больше его вес». (Аристотель.)

б) «Возьми два свинцовых шара (как сделал знаменитый Жан Гроти, прилежный исследователь природы, и я в своих ранних опытах) и урони их одновременно с высоты 30 футов на деревянную доску или какое-либо иное твердое тело, издающее отчетливый звук, ты сразу же обнаружишь, что более легкий шар упадет на доску не в 10 раз медленнее, но столь одновременно с другим, что звуки падения обоих шаров сольются в один. То же самое случится и с телами разных размеров, но отличающихся по весу, как десять и один. Посему пропорция, приписываемая Аристотелю, чужда истине». (Симон Стевин.)

в) Наблюдая, как более тяжелые тела, падая, обгоняют более легкие, Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей» (ок. 50 г. до н.э.) объясняет это тем, что

«...Воздуха тонкая сущность Не в состоянии вещам одинаковых ставить препятствий, Но уступает скорее имеющим большую тяжесть», и заключает отсюда, что в пустоте все тела должны падать одинаково:

Должно поэтому все, проносясь в пустоте без препятствий, Равную скорость иметь, несмотря на различие в весе».

Кто из ученых прав?

2. Одним из первых исследования трения проводил Леонардо да Винчи.

Примерно за 200 лет до опытов Амонтона и за три века до публикации работ Кулона по трению он пишет, что «...сила трения зависит от материала соприкасающихся поверхностей, а также от степени их обработки и не зависит от площади соприкасающихся поверхностей; она прямо пропорциональна весу груза и может быть уменьшена путем введения «роликов» или смазочных веществ между трущимися поверхностями». Но работы Леонардо да Винчи не были опубликованы. О причинах возникновения трения ученый не знал. Как мы объясняем возникновение сил трения?

3. Древнегреческий ученый Птолемей (IIв. н.э.) не согласился с учением Аристарха (IIIв. до н.э.), согласно которому Земля вращается вокруг Солнца и вокруг своей оси. Он утверждал, что если бы Земля вращалась вокруг своей оси и двигалась в пространстве, то поднимающиеся в воздух птицы отставали бы от Земли, а все предметы, находящиеся на земной поверхности, не смогли бы удерживаться на ней. В чем ошибка Птолемея?

4. По вопросу о природе тяготения Ньютон одному из своих корреспондентов писал: «Я считаю нелепостью допущение, будто тело, находящееся на некотором расстоянии от другого тела, может действовать на него через пустое пространство без всякого посредства. Поэтому тяжесть должна вызываться каким-то действующим постоянно по определенным законам «агентом». Что вы можете сказать об этом «агенте»?

Задачи, посвященные открытию новых физических законов и созданию физических теорий.

1. Вопрос о причинах движения и его изменения возник в сознании человека более 25 столетий назад. Ученые отвечали на него по-разному. Так, Аристотель считал, что причиной движения является сила, т.е. тело движется до тех пор, пока на него действует сила. Скорость тела, по Аристотелю, пропорциональна приложенной силе. Эта точка зрения господствовала в физике до времен Галилея. Галилей же считал, что сила является не причиной движения, а причиной изменения движения. Кто из ученых был прав?

2. В письмах Декарта встречаются такие строчки: «Полагаю, что природа движения такова, что, если тело пришло в движение, уже этого достаточно, чтобы оно его продолжало с той же скоростью и в направлении той же прямой линии, пока оно не будет остановлено или отклонено какой-либо другой причиной». Пред восхищение какого закона содержится в словах Декарта?

3. Прочитайте выдержки из работы Леонардо да Винчи «Атлантический кодекс», которые приведены ниже, и скажите, о каком законе догадывался Леонардо, судя по его высказываниям. Сформулируйте этот закон.

а) «Что касается движения воды, то же производит движение весла против неподвижной воды, что и движение воды против неподвижного весла».

б) «Такая же сила создается предметом против воздуха, что и воздухом против предмета».

в) «То же производит движение воздуха против неподвижного предмета, что и движение предмета против неподвижного воздуха».

4. Демокрит писал: «Ничто не возникает из небытия и не разрешается в небытие», «... вещи не могут создаваться из ничего и, однажды возникнув, вновь обращаться в ничто», – утверждал Лукреций Кар. О каком законе идет речь?

5. В письме Леонарду Эйлеру 5 июля 1748 г. М.В. Ломоносов писал: «... все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому. Так, ежели убудет несколько материи, то умножится в другом месте; сколько часов положит кто на бдение, столько же сну отнимет. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своим движением другое, столько же он у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

О каком законе идет речь в этом письме.

Задачи, раскрывающие сущность методов физики – мысленного эксперимента, экспериментальных методов, теоретического метода.

1. Согласно Аристотелю, если два тела бросить с некоторой высоты, то более тяжелое тело будет падать быстрее. Ошибочность точки зрения Аристотеля показал Галилей с помощью мысленного эксперимента, анализируя с позиции Аристотеля падение двух тел разной массы в двух случаях: а) тела связаны друг с другом; б) тела падают отдельно друг от друга. Повторите рассуждения Галилея.

2. Согласно легенде, Галилей, проверяя свое предположение о независимости скорости свободного падения тела от его массы, сбрасывал с Пизанской башни (высота 60 м) пушечное ядро массой 80 кг и мушкетную пулю массой 200 г. Оба тела достигли поверхности Земли практически одновременно (рис. 4).

Рис. 4.

Какой вывод сделал ученый из этого опыта? Почему в опыте наблюдалось некоторое отставание пули от ядра?

3. В опытах по свободному падению Галилей вместо свободного падения тел рассматривал их движение по гладкой наклонной плоскости (рис. 5). Почему возможна такая замена?

Рис. 5.

4. Подтверждение выполнимости закона тяготения во Вселенной Ньютон получил, рассчитав центростремительное ускорение Луны двумя способами:

а) по данным астрономических наблюдений, считая траекторию движения Луны вокруг Земли окружностью;

б) исходя из того, что Луну на ее орбите удерживает сила тяготения Земли, определяемая законом всемирного тяготения.

Повторите расчеты Ньютона.

5. В чем различие между методами исследования природы, которыми пользовались Аристотель и Галилей?

Огни святого Эльма.

Иногда на концах корабельных мачт и на острых углах высоко поднятых предметов возникает свечение, похожее на кисточки конусы света (коронный разряд), которое в старину вызывало у море плавателей суеверный страх (так называемые «огни святого Эльма» ). Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Объясните причину этого явления.

Задачи, знакомящие с различными системами единиц величин

1. М. В. Ломоносов – автор мозаичной картины «Полтавская баталия».

Картина складывалась из цветных стекол – мозаики. Вызывают удивление ее размеры; 12 аршин в ширину и 11 аршин в высоту. Каковы размеры картины в метрических единицах длины?

2. 

Определите объем плодородного грунта на участке земли, описание которого приводится в поэме Я. Коласа «Новая земля»: «...Той земли как раз волока, а черный грунт – двенадцать цалей...». (1 волока = 21,36 га = = 21,36∙104 м2; 1 цаль = 0,0272 м.)

3.  По библейскому сказанию, Ноев ковчег строился по следующим указаниям Бога:

«... и сделай его так: длина ковчега 300 локтей; ширина его 50 локтей, а высота его 30 локтей; ... устрой в нем нижнее, второе и третье жилье.»

Каковы размеры ковчега в метрах? Каков его объем? Какова площадь поверхности каждого из жилых этажей?

4.  В индусской книге «Лалита вистара», написанной в III в. до н.э., имеется такой ряд единиц длины, из которых каждая в семь раз меньше предыдущей: 1) сустав пальца; 2) зерно ячменя; 3) зерно горчицы; 4) зерно мака; 5) пылинка-бык; б) пылинка-баран; 7) пылинка-заяц; 8) большая пылинка; 9) средняя пылинка; 10) малая пылинка; 11) атом. Считая сустав пальца равным 3 см, найдите величину атома по представлениям индусов.

Задачи-фантазии и задачи-легенды

5.  Библейский миф рассказывает о Вавилонской башне, которую люди, возгордясь, хотели построить до самого неба, но не построили, так как Бог, разгневанный дерзостью людей, «смешал их языки» так, что они перестали понимать друг друга, и рассеял людей по всей Земле. Как вы думаете, какой максимальной высоты могла достичь башня, если бы люди ее все же построили?

6.  Знаменитый историк Витрувий (I в. до н.э.) рассказывал, как Архимед пришел к открытию своего закона: «Во время своего царствования в Сиракузах Гиерон, после благополучного окончания всех своих мероприятий, дал обет пожертвовать в какой-то храм золотой венок бессмертным богам. Он условился с мастером о большой цене за работу и дал ему нужное по весу количество золота. В назначенный день мастер принес свою работу царю, который нашел ее отлично выполненной. После взвешивания венок оказался соответствующим выданному весу золота, но при испытании последнего на пробном камне оказалось, что мастер часть золота заменил серебром. Царь был очень раздражен этим обманом, но, не будучи в состоянии уличить мастера в сделанной им краже, попросил Архимеда придумать для этого способ. Однажды, когда целиком занятый этим делом Архимед садился в ванну, он заметил, что по мере погружения его тела в воду последняя переливается через край. Это наблюдение сразу позволило ему найти нужную идею, и радость настолько переполнила его душу, что он сразу выскочил из ванны и, бегая голым по дому, кричал, что он нашел то, что искал, говоря по-гречески «Эврика! Эврика!» Какое открытие сделал Архимед?

7. Однажды царь спросил у Архимеда, сколько нужно взять золота, чтобы его масса была равна массе слона. Как Архимед справился с этой задачей?

В романе Жюля Верна «Путешествие на Луну» говорится, что человек теряет свой вес, когда достигает точки, в которой притяжение к Земле становится равным притяжению к Луне. А как же наши космонавты находятся в состоянии невесомости, хотя орбиты космических кораблей с людьми пока еще далеко не достигают точки, где силы притяжения Земли и Луны одинаковы?

8.«Чудо света»

На рисунке показано одно из чудес света древних египетских жрецов.

Как только на жертвеннике загорался огонь, двери храма раскрывались. Объясните, на чем основано это чудо. (Жертвенник при помощи трубы соединен с кожаным мешком).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В заключении хочется обратить внимание на трудности, с которыми сталкивается преподаватель физики, привлекая на свои занятиях исторический материал. основная из них – ограничение времени: за считанные минуты надо раскрыть динамику развития изучаемых понятий, законов, теорий; поэтому рассказ учителя или учеников должен быть кратким и максимально насыщенным информацией, эмоциональным по форме и доступным по изложению. Но у нас есть резерв - конференции и семинары, кружки и стенгазеты. Трудность вторая – показ органической связи всемирной истории с развитием науки, создание «социального фона» для каждого крупного открытия или изобретения.

Использование элементов истории было и остается одним из тех вопросов методики преподавания физики, решение которого позволяет расширить представления у студентов о физике и науке в целом.

Поэтому принцип историзма в обучении физике может выступать в качестве ориентира в расширении знаний студентов по физике. Знание обучающегося о существовании истории науки, обращение к ее знанию помогает ему выделить прошлое, настоящее и будущее в физическом познании, найти закономерности его развития и выделить для себя аналогичный путь изучения новых явлений.

      Использование исторических сведений на занятиях позволяет избежать простого зазубривания определений и выводов и обеспечивает понимание самих процедур добывания физических знаний, что является основой развития студентов.

       Введение в изложение какой-либо темы исторических сведений не имеет целью на грузитьобучающихся дополнительным материалом для запоминания. Исторический материал призван повысить интерес к предмету физики, предполагает работу студентов с дополнительной литературой по содержанию физики и истории развития физики, расширение кругозора студентов, формирования научного мировоззрения.

Приобщение студентов к истории науки означает не уход от актуальных проблем современности, а напротив более глубокую ориентацию в них с целью понимания истоков перспектив научно-технического прогресса.

История науки физики дает возможность показать науку как общественную деятельность, формы которой могут меняться на разных этапах развития общества. Она раскрывает перед обучающимися величественную физическую картину мира, сложного и диалектически-противоречивого процесса познания, формирует представления об ос новных закономерностях развития науки и методах научного познания.   

             

Используемая литература.

1. Замечательные ученые -  под ред. С.П. Капицы – М.: Наука, 1980г.

2. Кикоин И.К.  Рассказы о физике и физиках. – М.: Наука. Главная  редакция физико-математической  литературы, 1986г.

3. Лишевский В.П.  Ученые – популяризаторы  науки.- М.:  Знание,1987г.

4. Мощанский В.Н.  Формирование мировоззрения учащихся при изучении физики. М.:  Просвещение,1977г.

5. Мощанский В.Н.,  Савелова Е.В. История физики в средней школе.- М.: Просвещение, 1981г.

6. Подкорытов Г.А.  Историзм как  метод научного познания. Л.:Издательство ЛГУ, 1967г.

7. Разумовский В.Г.  Развитие творческих способностей учащихся в процессе обучения физике. М.:  Просвещение,1975г.

8. Спасский Б.И. Вопросы  методологии  и историзма  в курсе  физики  средней школы. М.: Просвещение,1975г.

9. Хрестоматия по физике: Учебное пособие для учащихся – сост.: А.С. Енохович, О.Ю. Кабардин и др.; под ред. Б.И. Спасского. – М.: Просвещение,1982г.

10. Чернощекова  Т.М.   А.Ф. Иоффе:  Пособие для учащихся. – М.:  Просвещение,1983

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

В преподавании физики основной упор делается обычно на решение задач. Причиной такого выбора стал, в первую очередь социальный заказ высшей школы. Экзамен по физике в технический ВУЗ требует именно этого навыка.

Но в погоне за задачами (часто просто приучая бездумно применять готовые формулы или алгоритмы) преподаватель, а за ним и студент, перестают видеть красоту этой науки, ее исторические корни. А это ведь очень важно для общего развития личности человека.

Поэтому, на мой взгляд, очень важно на уроках физики, во внеурочной работе уделять время для описания жизнедеятельности великих ученых прошлого и настоящего времени. Важным моментом становится международность деятельности ученых, многие из них по доброй воле или вынужденно должны были переезжать из страны в страну. При этом менялись условия их работы, цели, задачи, но, в первую очередь, они оставались людьми науки.

Вынужденные переселенцы всегда вызывают противоречивые чувства, поэтому в воспитании современных обучающихся необходимо уделять время воспитанию толерантности. Лучше всего начинать такую работу на примере великих людей, людей науки.

Предлагаемый конспект урока посвящен теме “Уравнение Бернулли” и содержит сведения о биографии ученого, чья жизнь протекала в разных странах.

Тема урока: "Откуда родом Даниил Бернулли", в рамках программы воспитания толерантности.

Тип урока: урок изучения нового материала и первичного закрепления. Тип занятия: комбинированное занятие

Вид занятия:лекция с элементами беседы.

Форма организации: работа в группах, индивидуальная работа

Цели урока:

• Образовательные: знакомство с принципом Бернулли и его применением в технике и быту;

• Развивающие: развитие навыков проблемного подхода к решению поставленной задачи; развитие логического мышления учащихся; совершенствование умения наблюдать, сравнивать и сопоставлять изучаемые явления, выделять общие признаки и обобщать результаты экспериментов.

• Воспитательные: формирование научного мировоззрения, воспитание интереса и любознательности.

Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, интерактивная доска.

Демонстрационное оборудование: цилиндр Магнуса, по два бумажных листка на каждой парте учащихся, шарики для тенниса, фен, свеча и воронка, компьютерная модель, рисунки.

ТСО: доска, мультимедийное оборудование, компьютер, видеоматериалы по теме урока, материалы для опытов.

Дидактические средства: презентация к занятию, поурочные карты студентов, раздаточный материал (карточки с заданиями, рефлексивные карты)

Межпредметные связи: история, математика (прямая и обратные зависимости, степени, правило сложения векторов)

Структура учебного занятия.

1. Организационный момент

2. Мотивационная беседа. Целеполагание.

3. Актуализация знаний студентов по гидростатике.

4. Постановка учебной проблемы 

5. Изучение нового материала

6. Закрепление изученного материала.

7. Минута релаксации

8. Закрепление изученного материала

9. Подведение итогов

10. Рефлексия

1. Организационный момент

Приветствие студентов. Отметка отсутствующих.

2. Мотивационная беседа. Целеполагание.

Преподаватель. На предыдущем занятии мы с вами закончили изучение гидростатики — теории поведения неподвижной жидкости. Несомненно, законы эти очень важны, однако чаще мы сталкиваемся с движением воды в реке или по трубам водопровода, движением огромных масс атмосферного воздуха, крови в кровеносных сосудах, движением самолёта, автомобиля, лопастей вентилятора, полётом птиц и насекомых. Все эти движения подчиняются законам гидро- и аэродинамики, к изучению которых мы с вами приступаем.

3. Актуализация знаний студентов по гидростатике.

Учитывая уровень изучения предмета и высокую мотивированность студентов, целесообразно на данном этапе занятия проверить не знания определений и формул, а умение применить эти знания в конкретных проблемных ситуациях с высоким уровнем проблемности.

Задание 1. На дне сосуда с жидкостью лежит тело, плотность которого чуть больше плотности жидкости. Можно ли заставить тело всплыть, повышая давление на жидкость?

Задание 2. Деревянный брусок плавает в керосине. Такой же брусок плавает в воде. Одинаковы ли выталкивающие силы, действующие на бруски в обоих случаях? Одинаковы ли объёмы погружённых частей обоих брусков?

4. Постановка учебной проблемы (просмотр видеосюжета).

Осенью 1912 г океанский пароход "Олимпик" (Рисунок 1) плыл в открытом море, а почти параллельно ему, на расстоянии сотни метров, проходил с большой скоростью другой корабль, гораздо меньший, броненосный крейсер "Гаук". Когда оба судна заняли положение, изображенное на рисунке (Рисунок 2), произошло нечто неожиданное: меньшее судно стремительно свернуло с пути, словно повинуясь неведомой силе, повернулось носом к большому кораблю и, не слушаясь руля, двинулось почти прямо на него. "Гаук" врезался носом в бок "Олимпика".Удар был так силен, что "Гаук" проделал в борту "Олимпика" большую пробоину. Случай столкновения двух кораблей рассматривался в морском суде. Капитана корабля "Олимпик" обвинили в том, что он не дал команду пропустить броненосец. Как вы думаете, что произошло? Почему меньший корабль, не слушаясь руля, пошел наперерез "Олимпику"? Смоделируем это явление с помощью двух полосок бумаги.

Рис. 1 Рис. 2

Опыт 1. Между двумя полосками бумаги продуваем воздух, они сближаются. Скорость воздуха внутри полосок больше, значит давление между листами меньше, чем снаружи.

Парадоксальность результатов такого поведения тел можно объяснить, используя закон Берннули (уравнение Бернулли). Швейцарский ученый Даниил Бернулли длительное время жил в России, именно к этому времени относится создание его главного научного труда - теории гидромеханики. Основная теорема гидродинамики связывает давление жидкости с её скоростью. До сих пор вы рассматривали движение твердых тел. Сегодня мы перенесем знания законов сохранения на движение жидкостей и газов. Будем рассматривать закон Бернулли на качественном уровне.

5. Изучение нового материала.

Пусть жидкость течет без трения по трубе переменного сечения (Рисунок 3). Иначе говоря, через все сечения трубы проходят одинаковые объемы жидкости, иначе жидкости пришлось бы либо разорваться где-нибудь, либо сжаться, что невозможно. За время t через сечение S₁ пройдет объем

Рис. 3

V₁ = S₁l₁ = S₁ v ₁t, а через сечение S₂ - объем V₂ = S₂l₂ = S₂ v ₂t

Т.к. V₁= V_2,  то S₁/ S₂ = v ₂ / v ₁

Делаем вывод: скорость течения жидкости в трубе переменного сечения обратно пропорциональна площади поперечного сечения.

Если площадь поперечного сечения увеличилась в 4 раза, то скорость уменьшилась во столько же раз и, наоборот, во сколько раз уменьшилось сечение трубы, во столько же раз увеличилась скорость течения жидкости или газа. Где наблюдается такое явление изменения скорости? Например, на реке, впадающей в море, наблюдается уменьшение скорости, вода из ванны - скорость увеличивается, мы наблюдаем турбулентное течение воды. Если скорость невелика, то жидкость течет как бы разделенная на слои ("ламиниа" - слой). Течение называется ламинарным.

Итак, выяснили, что при течении жидкости из узкой части в широкую или наоборот, скорость изменяется, следовательно, жидкость движется с ускорением. А что является причиной возникновения ускорения? (Сила (второй закон Ньютона)). Какая же сила сообщает жидкости ускорение? Этой силой может быть только разность сил давления жидкости в широкой и узкой частях трубы.

К этому выводу впервые пришел академик Петербургской академии наук Даниил Бернулли в 1726 году, и закон теперь носит его имя. Принцип, впервые высказанный Д.Бернулли в 1726 г., гласит: в струе воды или воздуха давление велико, если скорость мала, и давление мало, если скорость велика. Существуют известные ограничения этого принципа, но здесь мы не будем на них останавливаться.

Историческая справка.

Даниил Бернулли (29.1.1700- 17.3.1782), сын Иоганна Бернулли (брат - Якоб Бернулли) (Рисунок 5). Занимался физиологией и медициной, но больше всего математикой и механикой. В 1725-33 он работал в Петербургской АН сначала на кафедре физиологии, а затем механики. Впоследствии он состоял почётным членом Петербургской АН, опубликовал (с 1728-78) в её изданиях 47 работ. В работах, завершенных написанным в Петербурге трудом "Гидродинамика" (1738), вывел основное уравнение стационарного движения идеальной жидкости, носящее его имя. Даниил Бернулли разрабатывал кинетические представления о газах.После рассмотрения принципа Бернулли можно объяснить причины столкновения двух кораблей (Рисунок 6) .

Рис. 5

Рис. 6

Объяснение поведения двух листочков при продувании воздуха между ними (Рисунок 7). Давление воздуха в пространстве левее и правее листочков бумаги равно атмосферному давлению.Направив воздушный поток между листочками, мы тем самим в этом скоростном потоке воздуха создаем область пониженного давления в соответствии с законом Бернулли, в результате чего возникает разность давлений в пространстве между листками и с внешней стороны листков. Эта разность давлений является причиной "прилипания" листочков.

Рис. 7

Опыт 3. Взять листок бумаги за короткую сторону и подуть вдоль листа. Лист поднимается вверх. Объяснение опыта: Скорость над листом больше, чем под листом, а давление меньше. Эта разность давлений и поднимает лист вверх (Рисунок 8).

Рис. 8

Аэродинамический принцип создания подъемной силы был изложен Н. Е. Жуковским так: "...двигаясь под малым углом к горизонту с большой горизонтальной скоростью, наклонная плоскость сообщает громадному количеству последовательно прилегающего к ней воздуха малую скорость вниз и тем развивает большую подъемную силу вверх при незначительной затрате работы на горизонтальное перемещение". Следовательно, для создания подъемной силы по этому принципу необходимо перемещение тела относительно воздуха.

Аэродинамический принцип создания подъемной силы используется при подъеме аппарата тяжелее воздуха, к которым относятся планеры и дельтапланы, самолеты и сверхлегкие моторные летательные аппараты, вертолеты и автожиры, летательные аппараты с машущими крыльями (ортоптеры и орнитоптеры).

Подъемная сила у моторного сверхлегкого летательного аппарата создается неподвижно закрепленным крылом. При поступательном движении аппарата крыло обтекается потоком воздуха. Из-за особой формы сечения крыла (несимметричная форма) воздух, огибающий крыло сверху, движется быстрее, чем внизу, поэтому создается разность давлений под крылом и над ним, а в результате возникает подъемная сила. Для моторного аппарата перемещение в воздухе происходит под действием силы тяги, создаваемой силовой установкой.

Планеры, в том числе дельтапланы, создают подъемную силу так же, как моторные аппараты, неподвижно закрепленным крылом, но так как они не имеют силовой установки, то могут только планировать или летать на буксире. При планировании они снижаются за счет силы веса или набирают высоту за счет восходящих потоков воздуха. Подъемная сила появляется при обтекании не всех тел, а лишь тел с определенным профилем. Для крыльев дельтапланов должны применяться профили с хорошими летными характеристиками, создающими большую подъемную силу.

6. Минута релаксации. Прорсмотр видео для расслабления глаз.

Историческая справка.

Жуковский Николай Егорович (5.I.1847-17.III.1921). Русский ученый в области механики, основоположник современной гидроаэродинамики. Жуковский (Рисунок 9) является автором многочисленных оригинальных исследований в области механики твердого тела, астрономии, математики, гидродинамики и гидравлики, прикладной механики, теории регулирования машин и др.

Рис. 9

Работы Жуковского в области аэродинамики явились источником основных идей, на которых строится авиационная наука. Он всесторонне исследовал динамику полёта птиц, теоретически предсказал ряд возможных траекторий полёта. В1904 году Жуковский открыл закон, определяющий подъёмную силу крыла самолёта; определил основные профили крыльев и лопастей винта самолёта; разработал вихревую теорию воздушного винта. При его активном участии были созданы Центральный аэродинамический институт (ЦАГИ), Военно-воздушная инженерная академия(ныне носит имя Жуковского).

Проблема изучения подъемной силы имеет очень давнюю историю. Загадки полета птицы занимали умы ученых задолго до появления летательных аппаратов. Первая попытка исследования природы подъемной силы была сделана Леонардо да Винчи в 1505 году. Объясняя причину возникновения подъемной силы птицы, он считал, что из-за быстрых ударов крыльями воздух под ними уплотняется и поэтому поддерживает птицу. Эта гипотеза Леонардо да Винчи, основанная на сжимаемости воздуха, была ошибочной, так как применялась для полета с малыми скоростями, когда свойство сжимаемости воздуха практически не проявляется.

В 1852 году Магнус провел серию опытов для объяснения явления отклонения от вертикальной плоскости вращающихся артиллерийских снарядов. Он показал, что поперечная сила, вызывающая это отклонение, возникает из-за взаимодействия двух потоков воздуха: набегающего на снаряд и вращающегося вместе со снарядом. Это явление, получившее название эффекта Магнуса.

Опыт 4. Для опыта изготовим цилиндр из плотной, но не толстой бумаги диаметром 5 см, длиной 25-30 см. На цилиндр намотаем ленточку, один конец которой прикрепим к линейке. Резким движением вдоль горизонтальной поверхности стола сообщим цилиндру сложное движение (поступательное и вращательное) (Рисунок 10). При большой скорости цилиндр поднимается вверх и описывает небольшую вертикальную петлю. Объясните, почему это происходит.

Рис. 10

Уравнение Бернулли объясняет такое поведение рулона (и закрученного мячика): вращение нарушает симметричность обтекания за счёт эффекта прилипания. С одной стороны бумажного цилиндра скорость потока больше (над цилиндром вектор скорости воздуха сонаправлен вектору скорости цилиндра), значит, давление там понижается, а под цилиндром вектор скорости воздуха антипараллелен вектору скорости цилиндра. В результате разности давлений возникает подъёмная сила, называемая силой Магнуса. Эта сила поднимает цилиндр вверх, а не по параболе.

Это явление носит название эффекта Магнуса, по имени ученого, открывшего и исследовавшего его экспериментально. Эффект Магнуса проявляется в таких природных явлениях, как образование смерчей над поверхностью океана. В месте встречи двух воздушных масс с разными температурами и скоростями возникает вращающийся вокруг вертикальной оси столб воздуха и несется вперед. В поперечнике такой столб может достигать сотен метров и несется со скоростью около 100м/с. Из-за быстрого вращения воздух отбрасывается к периферии вихря и давление внутри него понижается. Когда такой столб приближается к воде, то засасывает ее в себя, представляя огромную опасность для судов.

7.  Закрепление изученного материала.

По рисункам и демонстрациям объясните наблюдаемые явления.

Опыт 5. "Демон" Бернулли.

Струя воздуха может поддерживать легкий шарик (Рисунок 11) (например мяч для настольного тенниса). Воздушная струя ударяется о шарик и не дает ему падать. Когда шарик выскакивает из струи, окружающий воздух возвращает его обратно в струю, т.к. давление окружающего воздуха, имеющего малую скорость, велико, а давление воздуха в струе, имеющего большую скорость, мало. Дополнительная подъемная сила может возникать из-за вращения мяча вследствие эффекта Магнуса, который проявляется и при полете закрученного бейсбольного мяча. (Нередко подъемную силу, возникающую в рассматриваемом случае, ошибочно объясняют уменьшением давления в воздушной струе вследствие движения воздуха. Это неправильное истолкование смысла уравнения Бернулли. На самом деле давление в свободно движущейся воздушной струе равно атмосферному. Если насадка на шланг пылесоса сужается (как это обычно бывает), то скорость воздушного потока увеличивается, а давление уменьшается. Таким оно остается и в струе, пока в нее не будет "затянут" окружающий воздух. Тогда давление станет равным атмосферному. Поперечная устойчивость мяча объясняется уменьшением давления в струе, обтекающей мяч.)

Рис. 11

Опыт 6. Воздух продувается между двумя воздушными шариками, подвешенными на нитях. Шарики сближаются и ударяются друг о друга.

Опыт 7. Напротив воронки зажигаем свечу. Через воронку продуваем воздух, пламя свечи отклоняется в сторону воронки.

Обсуждение рисунков.

Ситуация 1. Ветер под зданием. В США был предложен проект жилого дома, в котором этажи, подобно мостам, "подвешиваются" между двумя мощными стенами, а пространство под домом остается открытым (Рисунок12). Внешне такое здание выглядит весьма привлекательно, но оно абсолютно не пригодно для ветреных районов. Одно из таких зданий было выстроено на территории Массачусетского технологического института. И вот когда подули весенние ветры, скорость ветра под зданием достигла 160 км/ч. Чем вызвано столь сильное увеличение скорости ветра? (Ветер, попадающий на здание, частично прогоняется через нижний просвет. При этом скорость его возрастает).

Рис. 12

Ситуация 2. Встречные поезда. Скоростные поезда (Рисунок13). при встрече должны замедлить ход, иначе стекла в вагонах разобьются. Почему? В какую сторону при этом выпадают стекла: внутрь вагонов или наружу? Может ли случиться подобное, если поезда движутся в одном направлении? Будет ли вас притягивать к поезду или отталкивать от него, если вы окажетесь слишком близко от быстро идущего поезда?

(Впереди быстро идущего поезда создается фронт высокого давления, а за ним - область низкого давления. Когда встречные поезда разъезжаются, стекла в вагонах могут быть выдавлены наружу, поскольку между поездами возникает область пониженного давления).

Рис. 13

Ситуация 3. Крылья и вентиляторы на гоночных автомобилях. Гоночные автомобили за время своего существования претерпели существенные изменения. К числу наиболее значительных усовершенствований можно отнести установку в задней части автомобиля горизонтального крыла. Когда автомобиль с таким крылом совершал поворот, водитель наклонял крыло вперед. При выходе из поворота, крыло снова принимало горизонтальное положение. Это устройство оказалось очень эффективным средством удержания машины на дороге во время поворотов и позволяло делать повороты с гораздо большей скоростью. Однако поломка таких крыльев на трассе делала машину неуправляемой, и поэтому пришлось установить неподвижные крылья. Каким образом крылья - подвижные или неподвижные - могут удерживать автомобиль на повороте?

Одна из самых странных гоночных машин "Чаппараль-2.1" (Рисунок14) была построена Джимом Холлом, который придумал и подвижное крыло. Почти 20 лет прошло с момента первых экспериментов легендарного Джима Холла с "машиной-крылом" Chapparal-Chevrolet до победы в Гран При "гоночного пылесоса", целиком и полностью обязанного своим преимуществом "граунд-эффекту". "Чаппараль" имел в задней части два больших вентилятора, которые засасывали воздух из-под днища и гнали его назад. Сбоку автомобиль был закрыт щитками почти до самой дороги, чтобы воздух проходил прямо под машиной. Благодаря этому Холлу удалось увеличить сцепление колес с дорогой и тем самым значительно повысить скорость автомобиля. Почему воздух, прогоняемый под машиной и выпускаемый позади, усиливает сцепление колес с дорогой? Можете ли вы оценить увеличение сцепления и скорости?

Рис. 14

Ситуация 4. "Ветроход". Всегда находятся люди, способные увидеть то, чего не замечают другие, и обладающие неиссякаемой пытливостью - этим неотъемлемым качеством всех изобретателей. Таким человеком был немецкий инженер Антон Флеттнер (1885-1961). Однажды, наблюдая во время плавания на паруснике за усилиями матросов, работавших в шторм с парусами на высоте 40-50 м, он подумал: а нельзя ли чем-нибудь заменить классический парус, используя при этом все ту же силу ветра? Размышления заставили Флеттнера вспомнить о его соотечественнике физике Генрихе Густаве Магнусе. В качестве первого опытного судна для его испытания использовали видавшую виды трехмачтовую шхуну "Букау" водоизмещением 980 т. В 1924 году на ней вместо трех мачт поставили два ротора-цилиндра высотой 13,1 м и диаметром 1,5 м. Их приводили в движение два электромотора постоянного тока напряжением 220 В. Объясните принцип действия такого "ветрохода" (Рисунок15).

Рис. 15

Историческая справка.

Магнус в 1852 г доказал, возникающая поперечная сила, действующая на тело, вращающееся в обтекающем его потоке жидкости или газа, направлена в сторону, где скорость потока и вращение тела совпадают. Наличие такого эффекта Магнус подтвердил позже на опыте с весами. На одну из их чаш клали горизонтально цилиндр с подключенным к нему моторчиком, а на другую - уравновешивавшие гири. Цилиндр обдували воздухом, но, пока не включали моторчик, он оставался неподвижным, и равновесие весов не нарушалось. Однако стоило лишь запустить моторчик и тем самым заставить цилиндр вращаться, как чаша, где он находился, или поднималась, или опускалась - в зависимости от того, в каком направлении шло вращение. Этим опытом ученый установил: если на вращаемый цилиндр набегает поток воздуха, то скорости потока и вращения по одну сторону цилиндра складываются, по другую же - вычитаются. А поскольку большим скоростям соответствуют меньшие давления, на вращаемом цилиндре, помещенном в поток воздуха, возникает движущая сила, перпендикулярная потоку. Ее можно увеличивать или уменьшать, если крутить цилиндр быстрее или медленнее. Именно опыты Магнуса и навели Флеттнера на мысль заменить парус на судне вращающимся цилиндром. Но сразу же возникли сомнения. Ведь на большом судне такие роторы будут выглядеть огромными башнями высотой 20-25 м, которые в шторм создадут колоссальную опасность для судна. На эти вопросы требовалось ответить, и Флеттнер начал свои исследования, которые завершились созданием первого "ветрохода" - трехмачтовая шхуна "Букау".

Ситуация 5. В дождливую ветряную погоду, каждый из нас замечал, что раскрытые зонтики иногда "выворачиваются наизнанку" (Рисунок16). Почему это происходит? Аналогичное действие производит на крыши домов сильный ураган. (Поток воздуха, набегающий на изогнутую поверхность зонта, движется по руслу своеобразной сужающейся трубы с большей скоростью, чем воздух в нижней части, следовательно, давление снизу больше, чем вверху, и зонт выворачивается)

Рис. 16

Ситуация 6. В футболе одним из коварных ударов для вратаря считается так называемый "сухой лист" (Рисунок17). Похожий подрезанный удар - "сплин" применяют в теннисе и других играх с мячом. Предвидеть, куда направится такой крученый мяч, неопытному спортсмену довольно трудно. Объясните, почему так происходит. ("Виновата" во всем сила Магнуса, проявляющаяся при движении закрученного вдоль своей оси симметричного тела - мяча, цилиндра и т.п.).

Рис. 17

8. Подведение итогов.

Уравнение Бернулли просто объясняет множество явлений, происходящих в жидкости и газе. Это возникновение подъемной силы крыла, работа таких приборов как пульверизатор, карбюратор, газовой горелки и многое другое. Жизнь самого Даниила Бернулли похожа на его замечательное уравнение. Движение по разным городам и странам, взаимодействие со многими учеными, периодическое расширение и сжатие научных интересов в конечном итоге привели к результатам, которыми до сих пор пользуется человечество, находя все новые и новые применения.

9. Домашнее задание. Применение закона Бернулли и эффекта Магнуса (рисунки, кроссворды, презентации, стихи)

10. Рефлексия. Конструирование бумажного самолетика. Чей самолет имеет большую дальность полета?

Используемая литература

1. Дж. Уокер. Физический фейерверк. - М.: Мир, 1989.

2. Перельман Я.И. Занимательная физика. Кн.2.- М.: Триада-литера, 1994.

3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учеб. Для 9 кл.- М.: Просвещение, 1999.

4. Л.Прандтль. Эффект Магнуса и ветряной корабль. Т.5. Вып 1-2. Успехи физических наук. 1925.

5. Открытая физика. 1.1. Полный интерактивный курс физики. ООО "Физикон".

6. http://class-fizika.narod.ru/